肖維陽，時(shí)幸幸，裴向軍

（1.九寨溝管理局，阿壩 623402；2.地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（成都理工大學(xué)），成都 610059）

1 引言

雅魯藏布江下游水電開發(fā)對于我國能源電力行業(yè)發(fā)展及西藏自治區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展具有重大意義，同時(shí)，水電規(guī)劃區(qū)建設(shè)涉及大量隧道棄渣，存在一定的生態(tài)、安全風(fēng)險(xiǎn)，需要面對棄渣料的科學(xué)處置問題。隧道棄渣多表現(xiàn)為方量大、欠密實(shí)、強(qiáng)度低的特點(diǎn)，在外力觸發(fā)下可能發(fā)生滑坡、泥石流災(zāi)害，威脅下游居民及建筑設(shè)施，同時(shí)可能造成嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)經(jīng)濟(jì)損失并引起一系列生態(tài)地質(zhì)環(huán)境問題。例如：2000年7月10日，菲律賓奎松市的棄渣場邊坡渣料在暴雨中快速流失啟動(dòng)形成泥石流，掩埋了330多人，造成278人當(dāng)場不幸遇難（Merry et al.，2005）；2008年9月8日，山西省臨汾市的新塔礦業(yè)尾礦庫在防護(hù)措施欠缺的條件下而突發(fā)潰壩事故，庫內(nèi)廢渣料隨水流沖出庫區(qū)形成了長達(dá)2km的泥流災(zāi)害，造成277人遇難（殷躍平，2008）；2015年12月20日，深圳市光明新區(qū)紅坳棄渣場由于排水問題處理不善導(dǎo)致渣土堆填物發(fā)生滑坡事件，造成了77人遇難以及直接經(jīng)濟(jì)損失8.8億元（Yin et al.，2016）。

強(qiáng)降雨及冰雪融水條件下，一些防護(hù)措施不完善的棄渣場易形成泥石流對下游人員和基礎(chǔ)設(shè)施造成嚴(yán)重威脅。泥石流物源穩(wěn)定性主要受堆積體自身內(nèi)摩擦角與自重應(yīng)力，以及降雨和冰雪融水條件下的坡體內(nèi)部滲流力和超孔隙水壓力等因素影響。根據(jù)研究表明，泥石流啟動(dòng)與降雨量和降雨強(qiáng)度等條件密切相關(guān)（胡桂勝等，2011；Yu，2008），當(dāng)降雨強(qiáng)度大于滲流強(qiáng)度時(shí)將會(huì)形成一定流深的地表徑流（Li et al.，2005），地表徑流沖蝕泥石流物源，極易破壞誘發(fā)泥石流（曹琰波等，2008）。陳中學(xué)等（2010）通過人工降雨試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，粘土顆粒含量對泥石流啟動(dòng)具有重要影響，棄渣料多為碎石土，粘粒含量低，棄渣型泥石流啟動(dòng)相比土質(zhì)松散堆積物更加困難。王鍇等（2019）根據(jù)研究同樣指出礦渣型泥石流啟動(dòng)難易程度受到渣體細(xì)顆粒含量的影響，細(xì)顆粒含量增加將會(huì)導(dǎo)致礦渣的滲透性及抗剪強(qiáng)度降低，進(jìn)而影響到堆積體的受力情況以及結(jié)構(gòu)的破壞模式。棄渣型泥石流啟動(dòng)模式研究較多，倪化勇等（2011）根據(jù)棄渣型泥石流的形成機(jī)理，將其主要?jiǎng)澐譃闂壴嫖g型、棄渣揭底型、棄渣側(cè)蝕型、棄渣潰決型以及復(fù)合型5類；屈永平等（2015）根據(jù)孔隙水壓力與水位變化特征，將冰川降雨型泥石流的起動(dòng)模式歸納為地表淺層徑流階段、揭底起動(dòng)階段以及潰決后逐漸減小階段；李寧等（2020）根據(jù)不同坡度及徑流量試驗(yàn)研究表明，泥石流啟動(dòng)模式主要有溝床侵蝕型、滑坡流態(tài)化啟動(dòng)型和消防管啟動(dòng)型。泥石流運(yùn)動(dòng)模型主要由流體性質(zhì)及其受力特征決定，不同研究人員根據(jù)其研究特點(diǎn)提出了大量運(yùn)動(dòng)模型（O'Brien et al.，1993；Takahashi，1980；Johnson et al.，1970）。在考慮溝床地形條件、地表徑流侵蝕能力和堆積物剪應(yīng)力等因素下，Iverson（1997）、Cannon et al.（2001）、Berti et al.（2005）針對不同特性的溝床松散堆積物，建立了相應(yīng)的啟動(dòng)判別關(guān)系式。

本文根據(jù)弄家曲流域溝道地形特點(diǎn)及潛在地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育特征，首先進(jìn)行了渣場堆放形式規(guī)劃設(shè)計(jì)；然后，結(jié)合不同的渣場堆放形式，基于物理模型實(shí)驗(yàn)研究上游匯水徑流沖刷作用下，渣場泥石流啟動(dòng)失穩(wěn)破壞特征及泥石流啟動(dòng)特征參數(shù)，分析渣場不同堆放形式對泥石流啟動(dòng)的影響，評價(jià)棄渣場不同堆置方案的失穩(wěn)破壞模式及機(jī)制，為流域溝道棄渣場堆放規(guī)劃設(shè)計(jì)提供參考。

2 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于西藏自治區(qū)東南部，雅魯藏布江下游大拐彎西南側(cè)，行政區(qū)劃屬林芝市，其中擬建渣場堆放點(diǎn)的弄家曲流域位于多雄拉隧道出口與多雄河上游區(qū)域，地理位置為：東經(jīng)94°57′～95°1′，北緯29°28′～29°31′。據(jù)研究區(qū)附近的米林氣象站資料，溝谷多年平均氣溫8.6℃，極端最高氣溫29.7℃，極端最低氣溫－15.8℃；多年平均降雨量702.1 mm，最大日降水量81.8mm；雨季在每年6～9月，單月最大降雨量291.3mm。多雄拉山一帶屬于典型的高原氣候特征，位于大陸高原寒流和印度洋暖濕氣流交匯處，氣候多變，晝夜溫差大。

研究區(qū)是青藏高原隆升、侵蝕最為強(qiáng)烈的地區(qū)，地形起伏大、河谷深切，屬典型的高山峽谷地貌。弄加曲流域地區(qū)出露的地層主要是南迦巴瓦巖群中的多雄拉巖組，以及第四系冰磧物和崩坡積松散堆積物。其中多雄拉巖組混合巖化強(qiáng)烈，為片麻巖結(jié)晶基底，巖石致密、完整性較好。

弄家曲流域位于多雄拉隧道出口附近區(qū)域，流域面積20.88km2，地形落差較大，高程范圍3 300～5 500m（圖1）。流域中上游河道相對陡，下游河道相對較緩，主溝長4km，溝道平均縱比降為125‰。流域海拔4 000m以上區(qū)域每年大多數(shù)時(shí)候?yàn)楸└采w區(qū)，常年雪線在4 800m左右，流域后緣冰川覆蓋區(qū)面積為5.5km2，占流域總面積的26%。弄加曲流域發(fā)育冰川、冰湖，匯水面積大，地勢陡峭；同時(shí)，流域內(nèi)松散物質(zhì)分布廣、類型多、數(shù)量大，加之區(qū)域充沛的降雨和降雪條件，暴發(fā)泥石流的可能性較大。

圖1 研究區(qū)高程分布圖

弄家曲流域范圍廣、地形落差大、地勢陡峭，現(xiàn)場實(shí)地勘查難度大、危險(xiǎn)性系數(shù)高，同時(shí)無法得到流域的整體情況；另外，無人機(jī)續(xù)航能力有限，也只能得到局部航拍資料。出于經(jīng)濟(jì)和整體效果考慮，本文采用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、無人機(jī)航拍以及現(xiàn)場調(diào)查相結(jié)合的方法對弄家曲流域潛在地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行解譯識別。衛(wèi)星光學(xué)遙感數(shù)據(jù)主要來源于谷歌官方服務(wù)器0.6～5m精度的光學(xué)影像；同時(shí)，收集研究區(qū)域30 m和12.5m精度的DEM數(shù)據(jù)，作為研究基礎(chǔ)資料；無人機(jī)航拍采用大疆“御”Mavic 2無人機(jī)，設(shè)備輕巧、攜帶方便，相機(jī)有效像素2 000萬，照片分辨率5 472×3 648。

基于不同地質(zhì)災(zāi)害的光學(xué)影像（光學(xué)遙感影像與無人機(jī)航拍影像）特征，對流域內(nèi)的地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行解譯識別，得到流域內(nèi)的主要隱患地質(zhì)災(zāi)害有冰崩、雪崩、泥石流和冰湖潰決，災(zāi)害分布見圖2所示。其中，泥石流隱患災(zāi)害分布范圍廣、暴發(fā)頻率高，值得重點(diǎn)關(guān)注。弄家曲流域水系發(fā)育，降雨及冰雪融水是泥石流形成的主要水源。同時(shí)，坡表及溝道內(nèi)松散物源分布廣泛，主要可分為坡面物源、溝道物源及崩滑物源（圖3），充足的松散物源堆積為泥石流的形成提供了有力條件。

圖3 泥石流物源條件

3 實(shí)驗(yàn)研究方法

3.1 渣料來源

弄家曲流域擬建棄渣場位于多雄拉隧道出口附近，棄渣場物質(zhì)來源主要為該區(qū)域擬建引水隧洞在全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)（TBM）開挖過程中的洞渣料，渣料性質(zhì)與多雄拉隧道已開挖渣料類似，因此本文前期進(jìn)行了多雄拉隧道開挖棄渣料的調(diào)查研究，研究結(jié)果為后續(xù)進(jìn)一步開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究提供基礎(chǔ)。

雅魯藏布江下游水電工程規(guī)劃區(qū)的多雄拉隧道入口已建棄渣場長765m，寬150m，占地面積約為70 000m2；棄渣場區(qū)具有顯著的三級臺階，臺階坡度為20°～35°（圖4）。多雄拉隧道入口已建棄渣場表層覆蓋有黃色砂土，有部分植被覆蓋，渣土類型主要為灰色細(xì)砂夾有塊狀、片狀碎石，以片狀碎石為主，一般粒徑：0.5～5cm，較大粒徑：5～20cm。渣料來源于多雄拉隧道TBM洞渣料，渣料粒徑較小，巖性主要為片麻巖、混合片麻巖、石英巖、角閃巖等。在渣場多處區(qū)域進(jìn)行開挖取樣，在現(xiàn)場和室內(nèi)進(jìn)行棄渣料的顆分試驗(yàn)，根據(jù)各組粒徑占比的平均值得到棄渣料級配曲線，如圖5所示。采用烘干法和環(huán)刀法得到研究區(qū)多雄拉隧道入口已建棄渣場主要渣土類型基本物理參數(shù)如表1所示。

圖4 多雄拉隧道入口已建棄渣場

表1 棄渣場區(qū)主要棄渣料基本物理參數(shù)表

圖5 棄渣料級配組成曲線

3.2 渣場堆放形式設(shè)計(jì)

渣場堆放改變了溝道地形，流域冰雪融水－降雨匯水徑流作用下，不同的渣場堆放形式對水動(dòng)力條件的阻擋和削弱效果不同，渣場本身也會(huì)產(chǎn)生迥異的失穩(wěn)破壞特征。本文根據(jù)堆渣量需求以及流域特征提出了3種全程臺階渣場堆放形式，分別為：單臺階、雙臺階、三臺階堆填方案。

全程臺階堆填方案采用棄渣料分級堆填的設(shè)計(jì)思路（圖6、7），渣場計(jì)劃堆放區(qū)域溝道地形坡度為6°～9°，平均坡度8°。渣場堆放高程主要位于3 435～3 706m之間，溝道堆放總長度約1.8km，可堆存渣料約2 000×104m3，坡面布置防護(hù)網(wǎng)護(hù)坡和植被覆蓋以減少坡面水土流失。

圖6 全程三臺階堆填方案設(shè)計(jì)模型示意圖

全程臺階堆填方案在堆渣量恒定下，保持相同的堆渣長度、臺階平臺寬度和最大厚度，考慮三臺階、雙臺階和單臺階不同的堆置方案設(shè)計(jì)，渣場臺階堆放坡比根據(jù)現(xiàn)場地形坡度合理設(shè)置。三臺階堆置方案中，渣場中部臺階因地形起伏，臺階坡比進(jìn)行放緩處理，兩側(cè)臺階堆放平臺寬300m、臺階寬300 m，高100m、堆放坡比為1∶3；雙臺階和單臺階堆置方案中，保持相同的渣場堆放平臺寬度300m，根據(jù)地形起伏進(jìn)行放坡，保持與三臺階方案相同的堆渣方量，詳細(xì)堆置方案見設(shè)計(jì)剖面圖7所示。

圖7 全程臺階堆填方案設(shè)計(jì)縱剖面圖

3.3 渣場泥石流啟動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)方案

3.3.1 模型實(shí)驗(yàn)相似比

模型實(shí)驗(yàn)與原型間的相似準(zhǔn)則是兩者實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似的理論基礎(chǔ)，在建立正確的相似條件下，依據(jù)模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果才能再現(xiàn)或者超前預(yù)測一些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，從而對原型進(jìn)行定性或定量的深入分析。參考前人文獻(xiàn)資料（鹿守山，2019；樂培九等，2008；徐永年等，2000），在泥石流啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)以及后續(xù)的冰湖潰決實(shí)驗(yàn)中需要滿足材料相似、幾何相似、重力相似、阻力相似以及水流連續(xù)相似等基礎(chǔ)條件。流體動(dòng)力相似準(zhǔn)則采用弗勞德準(zhǔn)則，由三維紊動(dòng)水流的連續(xù)方程和運(yùn)動(dòng)方程式可以得出：

式中，λl為平面比尺；λv為流速比尺；λg為重力加速度比尺，本模型條件下，λg＝1。

根據(jù)上式可以得到：

由水流運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性相似要求，進(jìn)一步可得到：

式中，λt為時(shí)間比尺；λQ為流量比尺；λh為垂直比尺，本模型采用標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)模型，λh＝λl。

根據(jù)選用實(shí)驗(yàn)水槽尺寸，原擬建渣場模型縮小400倍建立室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)模型，具體相似條件及相似比尺見表2所示。

表2 相似條件和相似比尺

由于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ涂s放比尺過大，無法完全滿足模型材料的相似，為避免粒徑縮放過小，土體性質(zhì)發(fā)生顯著改變，本文碎石粒徑（粒徑≥5mm，含石量界限）相似比采用1∶10，砂土粒徑（粒徑＜5mm）相似比采用1∶1～10（圖8）。參考徐永年等（2000）通過變粒徑比尺的方法，一方面避免了土體粘性過大，另一方面消除了模型砂土級配不連續(xù)相似的問題，較好地實(shí)現(xiàn)了固體物質(zhì)級配相似，達(dá)到了泥石流的密度相似和輸沙相似。

圖8 原渣土與模型實(shí)驗(yàn)渣土級配曲線

3.3.2 實(shí)驗(yàn)裝置

本文實(shí)驗(yàn)裝置采用泥石流動(dòng)力模擬裝置（圖9），位于成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)組成部分主要有：實(shí)驗(yàn)水槽、儲(chǔ)供水系統(tǒng)、控制系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)水槽長8.35m，寬0.31m，高0.35m，水槽兩側(cè)為鋼化玻璃，同時(shí)貼有一定數(shù)量的刻度尺，精度0.1cm，便于獲取渣場變形破壞特征。實(shí)驗(yàn)水槽底部為帶波紋的碳鋼板，糙率系數(shù)0.03；根據(jù)流域地形特點(diǎn)并查閱天然河道糙率表，可知流域溝床基底糙率約為0.07，由上表糙率比尺關(guān)系，水槽基本滿足阻力相似條件。實(shí)驗(yàn)水槽可通過鉸鏈和吊葫蘆在0°～22°間進(jìn)行自由變坡，模擬不同的溝道坡度。實(shí)驗(yàn)上游入水流量通過裝有流量計(jì)的水管經(jīng)消能水池進(jìn)入實(shí)驗(yàn)水槽，可模擬溝道上游匯水徑流量。

圖9 實(shí)驗(yàn)裝置圖

3.3.3 實(shí)驗(yàn)方案

流域冰雪融水－降雨匯水徑流作用下，溝道內(nèi)不同的渣場堆放形式所產(chǎn)生的侵蝕破壞特征不同。本文根據(jù)弄家曲流域特點(diǎn)提出了3種渣場堆放形式，通過模型實(shí)驗(yàn)對比研究不同渣場堆放形式下的失穩(wěn)破壞特征，最終確定具有明顯優(yōu)勢的渣場堆置方案。

渣場全程臺階堆填方案上游直接接收流域降雨及冰雪融水匯流，在地表徑流沖刷下渣場坡表將會(huì)導(dǎo)致大量水土流失，嚴(yán)重者可啟動(dòng)形成泥石流。為揭示渣場不同全程臺階（單臺階、雙臺階、三臺階）堆填方案對泥石流啟動(dòng)的影響，開展模型實(shí)驗(yàn)研究上游匯流沖刷下渣場坡表的侵蝕變形特征、失穩(wěn)破壞模式以及渣場啟動(dòng)形成泥石流時(shí)的啟動(dòng)特征參數(shù)。試驗(yàn)中通過閥門控制上游來流流量逐漸增加，觀察每次流量增加后棄渣堆積體的侵蝕變化情況，若堆積體顆粒沒有明顯侵蝕變化則繼續(xù)加大流量直至啟動(dòng)形成泥石流并最終揭底。結(jié)合攝像機(jī)拍攝，觀察在不同渣場堆放形式下棄渣堆積體的侵蝕沖刷特征，根據(jù)三維激光掃描儀獲取渣場沖刷前后坡表侵蝕特征及體積損失量。在棄渣堆積體侵蝕沖刷過程中隨時(shí)在下游取樣測定容重，通過容重變化和攝像機(jī)相結(jié)合判定堆積體形成泥石流的過程，測定泥石流啟動(dòng)容重和流量以及棄渣堆積體啟動(dòng)形成泥石流時(shí)對應(yīng)的上游臨界清水流量。

3.3.4 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

根據(jù)渣場堆放形式設(shè)計(jì)，為保證實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃喕揖哂写硇裕F(xiàn)將全程臺階渣場堆填方案模型在三臺階下概化為平臺寬300m、臺階寬300m，高100m、渣場堆放坡比為1∶3。在堆渣量恒定下，改變渣場堆放形式分別為雙臺階和單臺階堆填方案，堆放起始位置、堆放長度、臺階平臺寬度以及堆放最大厚度保持不變，改變堆放坡比分別為1∶4和1∶5。全程臺階堆填方案渣場堆放區(qū)溝道地形平均坡度8°，渣場堆放區(qū)縮放400倍建立室內(nèi)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停Ｐ蛯?shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及儀器布置見圖10、圖11、圖12所示。

圖10 全程三臺階堆填方案實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

圖11 全程雙臺階堆填方案實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

圖12 全程單臺階堆填方案實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)渣料來源于研究區(qū)典型棄渣場現(xiàn)場取樣，渣料經(jīng)過風(fēng)干、篩分，根據(jù)設(shè)計(jì)級配曲線配制定量模型渣料待用，在渣料中加入適量水?dāng)嚢杈鶆?，保證與取樣區(qū)天然含水率一致，渣場模型堆放時(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)尺寸均勻堆放、壓實(shí)，保證相同的壓實(shí)度。實(shí)驗(yàn)過程中，通過流量計(jì)控制上游來流徑流量；在渣場模型前、后和側(cè)面布置攝像機(jī)拍攝整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程，記錄泥石流運(yùn)動(dòng)特征；渣場各級臺階平臺陡緩交界處中部的孔隙水壓力傳感器記錄渣土內(nèi)部孔隙水壓力變化規(guī)律，其中單臺階堆置方案傳感器間隔1m等間距布置。本次實(shí)驗(yàn)主要用到的儀器設(shè)備及參數(shù)見圖13和表3所示。

真相：樊新榮認(rèn)為，天冷時(shí)出門少加上運(yùn)動(dòng)少，受太陽光照射時(shí)間短，這確實(shí)會(huì)影響鈣、磷的正常吸收和骨化作用，導(dǎo)致體內(nèi)鈣質(zhì)流失較大，但不一定會(huì)導(dǎo)致人體的骨骼在冬天變脆。

圖13 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集儀器

表3 實(shí)驗(yàn)儀器參數(shù)

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 實(shí)驗(yàn)過程及現(xiàn)象

實(shí)驗(yàn)過程中，緩慢增大上游匯水流量，地面徑流不斷沖刷渣場坡表，在來流徑流量較小時(shí)，渣場主要表現(xiàn)為坡表的水土流失，水流沖刷帶走渣場表層大量細(xì)顆粒物質(zhì)。隨著上游徑流量逐漸增大，渣場坡表下蝕和溯源侵蝕快速發(fā)展，在徑流沖刷100s時(shí)，相比于單臺階方案堆積，多臺階堆積方案因?yàn)樵鼒龆逊牌卤容^大，水流的溯源侵蝕和下蝕作用更加明顯。實(shí)驗(yàn)前期，全程三臺階堆填方案的下游臺階侵蝕嚴(yán)重，臺階斜坡面的下蝕作用更易快速形成溝道徑流，徑流通道使得地面徑流沖刷變得較為集中，在水流的側(cè)蝕作用下，溝道岸坡逐漸垮塌，大量渣料在水流搬運(yùn)作用下流向下游，徑流通道也逐漸擴(kuò)展。另外一方面，由于徑流通道的形成，地面徑流可以得到快速排泄，降低了渣體其它區(qū)域的水流侵蝕作用，渣場泥石流啟動(dòng)變得較為困難，在3種堆渣方案中泥石流啟動(dòng)所需的地表徑流量增大。

結(jié)合攝像機(jī)拍攝、渣體內(nèi)部孔隙水壓力變化特征以及下游流失物質(zhì)容重測定進(jìn)行判斷泥石流啟動(dòng)時(shí)間。在全程三臺階堆填方案中，隨著地表徑流量逐漸增大，臺階斜坡面徑流通道兩側(cè)岸坡在水流側(cè)蝕作用下垮塌加劇，同時(shí)臺階平臺溯源侵蝕和下蝕快速發(fā)展，隨后與臺階斜坡面早期形成的徑流通道貫通，在221s時(shí)，地面徑流量達(dá)到啟動(dòng)流量而形成溝道泥石流并最終揭底（圖14）。

圖14 全程三臺階堆填方案實(shí)驗(yàn)過程

在全程雙臺階堆填方案中，坡面溯源侵蝕隨地面徑流量增大而逐漸發(fā)展，渣場坡表淺層物質(zhì)大量流失，上游臺階坡面在水流溯源侵蝕和下蝕作用下渣場物質(zhì)一部分隨水流搬運(yùn)流失，另外一部分淤積在下游臺階的頂部平臺位置。平臺堆積物阻擋了部分水流，地面徑流分散流向下游，水流的下蝕作用使得下游臺階斜坡面徑流通道逐漸形成，隨后在徑流量不斷沖刷下，下游臺階平臺堆積物一側(cè)徑流通道逐漸貫通，最后在地表徑流量沖刷下，于147s啟動(dòng)形成溝道泥石流（圖15）。

圖15 全程雙臺階堆填方案實(shí)驗(yàn)過程

在全程單臺階堆填方案中，渣場堆放坡比相對較緩，實(shí)驗(yàn)前期渣料流失總量較少。渣料損失主要發(fā)生在渣場前緣，由于堆放厚度淺，在地面徑流沖刷下渣料大量流失。地面徑流強(qiáng)度逐漸增大下，臺階坡面溯源侵蝕嚴(yán)重，渣場淺表層物質(zhì)大量流失，在138s時(shí)啟動(dòng)形成坡面泥石流。隨后，在泥石流參與下的渣場臺階前緣侵蝕作用加劇，前緣渣料快速流失。同時(shí)，渣場后緣在水流下蝕作用下徑流通道貫通，溝道徑流攜帶兩側(cè)岸坡垮塌物質(zhì)參與水流運(yùn)動(dòng)，在191s啟動(dòng)形成溝道泥石流，渣場整體物質(zhì)嚴(yán)重流失（圖16）。

圖16 全程單臺階堆填方案實(shí)驗(yàn)過程

圖18 渣場全程雙臺階堆填方案失穩(wěn)破壞前后侵蝕堆積特征分布

圖19 渣場全程單臺階堆填方案失穩(wěn)破壞前后侵蝕堆積特征分布

4.2 渣場侵蝕堆積特征

本文借助Polaris三維激光掃描儀對渣場失穩(wěn)破壞前后坡表地形進(jìn)行了掃描，根據(jù)掃描結(jié)果得到了渣場破壞前后坡表三維地形以及兩者差分得到的坡體侵蝕堆積特征分布圖（圖17、18、19），其中在渣場侵蝕堆積特征分布圖中，正值表示堆積量（單位：m），負(fù)值表示侵蝕量。

圖17 渣場全程三臺階堆填方案失穩(wěn)破壞前后侵蝕堆積特征分布

在渣場堆填方案中，侵蝕區(qū)域主要為渣場形成的溝道徑流攜帶大量渣料流失導(dǎo)致的，在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后徑流通道最終揭底，其中渣場雙臺階堆填方案的中部徑流通道并未完全揭底，仍有部分堆積物殘留；渣場下游區(qū)域侵蝕最為嚴(yán)重，在水流沖刷作用下的溯源侵蝕強(qiáng)烈，同時(shí)泥石流啟動(dòng)后渣場前緣遭到了最為嚴(yán)重的水流侵蝕沖刷作用，在強(qiáng)大的水流搬運(yùn)作用下，前緣渣料基本全部流失，3種堆渣方案的下游渣料僅在側(cè)邊界有少許殘留；徑流沖刷攜帶大量渣料運(yùn)移，部分渣料在坡體的陡緩交界處因動(dòng)能減小而停留，表現(xiàn)為在渣場臺階平臺上游部位淤積。渣場三臺階堆填方案中，淤積部位主要在右側(cè)的臺階平臺上游，淤積高度1～3cm，三臺階堆填方案的各級臺階相對坡度大，同時(shí)各級臺階得到的淤積物較少，在溝道徑流沖刷下不易停留，所以表現(xiàn)為僅在右側(cè)臺階平臺有部分堆積；在渣場雙臺階堆填方案中，渣場下游臺階的頂部平臺大量堆積，淤積高度2～4cm，雙臺階堆填方案的臺階坡度相對較緩，動(dòng)能不足，同時(shí)渣場下游僅有一級臺階平臺，在平臺位置得到的淤積物較多，因此在此區(qū)域易于停留淤積，阻擋了部分地表徑流（圖15、18）；在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，通過Surfer軟件，根據(jù)辛普森法則體積計(jì)算渣場三臺階、雙臺階和單臺階堆填方案的體積損失量分別為：68.14%、73.28%、87.65%。

4.3 泥石流啟動(dòng)模式

（1）全程三臺階堆填方案

上游地表徑流不斷侵蝕沖刷渣場坡表，伴隨大量細(xì)顆粒物質(zhì)流失，渣場坡面下蝕和溯源侵蝕逐漸發(fā)展。上游徑流量逐漸增大，臺階坡面形成徑流通道，溝道徑流沖刷逐漸加劇，水流側(cè)蝕作用不斷搬運(yùn)兩側(cè)松散物質(zhì)，徑流通道逐漸擴(kuò)展、貫通。溝道岸坡垮塌物質(zhì)不斷進(jìn)入水流被搬運(yùn)流出，在來流徑流量足夠大時(shí)，沿程大量松散渣料在水流作用下啟動(dòng)形成泥石流，此種泥石流啟動(dòng)模式可概括為侵蝕啟動(dòng)型。

在水流溯源侵蝕作用下，渣場坡表物質(zhì)大量流失，運(yùn)移物質(zhì)部分啟動(dòng)進(jìn)入水流運(yùn)移而下，部分在下游臺階頂部平臺淤積。平臺堆積物質(zhì)影響了下游徑流沖刷的強(qiáng)度，在徑流量逐漸增大下，水流下蝕作用增強(qiáng)，渣場坡表徑流通道貫通，水流攜帶大量松散物質(zhì)和部分停留堆積物質(zhì)迅速?zèng)_刷而下，造成泥石流啟動(dòng)，這種泥石流啟動(dòng)模式可歸納為堵潰啟動(dòng)型。

（3）全程單臺階堆填方案

地表徑流沖刷作用下，渣場臺階坡面溯源侵蝕快速發(fā)展，細(xì)顆粒物質(zhì)不斷流失，隨著地表徑流強(qiáng)度逐漸增大，坡表物質(zhì)大量流失啟動(dòng)形成坡面型泥石流；在泥石流啟動(dòng)后，坡面溯源侵蝕和下蝕加速發(fā)展，渣場徑流通道貫通，溝道岸坡在側(cè)蝕作用下不斷垮塌，形成溝道型泥石流，本文將這種泥石流啟動(dòng)模式歸納為混合啟動(dòng)型。

4.4 泥石流啟動(dòng)特征參數(shù)

在上游匯水徑流沖刷作用下，不同棄渣場堆放形式啟動(dòng)形成泥石流的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象具有明顯差異，為了對比研究不同渣場堆放形式下的啟動(dòng)模式與機(jī)理，現(xiàn)進(jìn)行渣體內(nèi)部孔隙水壓力監(jiān)測、渣場泥石流啟動(dòng)時(shí)的上游臨界清水流量和泥石流流量及容重測量?？紫端畨毫鞲衅髟O(shè)置采集頻率10Hz，位置分布見實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)圖（圖10、11、12），監(jiān)測結(jié)果及分析如下：

（1）全程三臺階堆填方案

坡表徑流沖刷下，水流不斷入滲，渣場內(nèi)部孔隙水壓力隨之增大；水流的下蝕和溯源侵蝕作用使渣場坡表不斷侵蝕，孔隙水壓力曲線伴隨有不斷的波動(dòng)。孔隙水壓力傳感器埋設(shè)于渣場臺階平臺與斜坡面陡緩交界處的渣料中部位置，由于渣場上游徑流通道位于左側(cè)，遠(yuǎn)離傳感器位置，上游孔隙水壓力在后續(xù)泥石流啟動(dòng)過程中沒有突出變化；渣場中游孔隙水壓力于190s達(dá)到最大值542Pa，隨著徑流通道進(jìn)一步擴(kuò)展、貫通，相應(yīng)的孔隙水壓力有所降低；在徑流通道貫通之后，隨著地表徑流沖刷，溝道岸坡物質(zhì)不斷垮塌進(jìn)入水流啟動(dòng)形成泥石流，下游孔隙水壓力達(dá)到最大值205Pa；泥石流啟動(dòng)時(shí)間為221s～266s，泥石流啟動(dòng)后，渣料大量流失，傳感器被水流攜帶沖刷，孔隙水壓力快速降低，在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后穩(wěn)定在一定區(qū)間（圖20（a））。

（2）全程雙臺階堆填方案

孔隙水壓力隨地表徑流入滲而增大，前期波動(dòng)不大，在100s之后，渣場坡表侵蝕沖刷加劇，地面徑流更易入滲使得孔隙水壓力快速增大。渣場上游孔隙水壓力于130.3s達(dá)到最大值420.4Pa，隨后期地表徑流主要以渣場左側(cè)溝道徑流為主，孔隙水壓力有所回落；在上游來流徑流量達(dá)到渣場泥石流臨界啟動(dòng)流量時(shí)，下游臺階平臺的淤積物被部分沖走形成貫通的徑流通道，隨后水流攜帶大量渣料迅速順流而下，下游孔隙水壓力達(dá)到最大值134.6 Pa；泥石流啟動(dòng)時(shí)間為147s～185s，泥石流啟動(dòng)后孔隙水壓力總體降低，同時(shí)因探頭受到水流作用部分有所上漲，在泥石流結(jié)束后孔隙水壓力保持穩(wěn)定波動(dòng)（圖20（b））。

（3）全程單臺階堆填方案

全程單臺階堆填方案中，中游與下游孔隙水壓力傳感器均布置在臺階斜坡面，同時(shí)與上游孔隙水壓力傳感器位置間隔均為1m。渣場上游孔隙水壓力在徑流沖刷下波動(dòng)幅度較大；渣場下游渣料隨水流沖刷迅速流失，后期傳感器暴露直接受到水流沖刷作用，整體波動(dòng)幅度不大，不能說明后續(xù)泥石流啟動(dòng)過程；渣場內(nèi)部孔隙水壓力最大值出現(xiàn)在中游傳感器監(jiān)測處，在137.6s達(dá)到最大值303.7Pa，隨后在地表徑流作用下的渣場坡面泥石流啟動(dòng)；其中在138s～191s主要以臺階斜坡面不斷侵蝕的坡面型泥石流為主，孔隙水壓力在泥石流啟動(dòng)后快速降低；在191s～250s主要為以臺階平臺及前緣坡面徑流通道侵蝕為主的溝道型泥石流，溝道型泥石流啟動(dòng)后，泥石流流量瞬間增大導(dǎo)致渣體中、上游的孔隙水壓力有所上升，隨后渣料大量流失后，孔隙水壓力又逐步降低，在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后保持穩(wěn)定（圖20（c））。

圖20 渣場不同堆放形式下孔隙水壓力變化曲線

根據(jù)渣場不同堆放形式下泥石流啟動(dòng)過程，獲取泥石流啟動(dòng)參數(shù)指標(biāo)，泥石流啟動(dòng)臨界清水流量根據(jù)上游進(jìn)水流量計(jì)讀取，在水槽末端取樣測定泥石流啟動(dòng)期間的容重及流量。全程臺階堆填方案下三臺階、雙臺階和單臺階渣場泥石流啟動(dòng)臨界清水流量分別為：41.4l／min、34.2l／min、32.1l／min；泥石流流量分別為：27.54l／min、42.75l／min、30.84l／min；泥石流容重分別為：1.42t／m3、1.46 t／m3、1.38t／m3，泥石流容重介于1.3t／m3與1.6 t／m3之間，判斷為稀性泥石流。另外，渣場單臺階堆填方案后期在191s～250s由坡面型泥石流轉(zhuǎn)化溝道型泥石流，對應(yīng)的溝道泥石流啟動(dòng)清水流量為36.9l／min，泥石流流量為36.58l／min，泥石流容重為1.41t／m3。

渣場三臺階堆填方案中，地表徑流沖刷易形成溝道徑流，上游徑流量排泄速度快，泥石流啟動(dòng)主要為水流側(cè)蝕作用使得溝道岸坡崩塌加劇，水流攜帶大量渣料快速順流而下。渣場在徑流通道外侵蝕量較小，溝道徑流排泄速度快，在保證搬運(yùn)足夠渣料的情況下，所需的泥石流啟動(dòng)臨界清水流量最大；渣場單臺階堆填方案中，在地表徑流沖刷作用下，臺階下游坡面的溯源侵蝕和下蝕作用強(qiáng)烈，渣場淺表層松散物質(zhì)大量流失易于形成坡面泥石流，對應(yīng)的泥石流啟動(dòng)臨界清水流量最小；渣場雙臺階堆填方案的泥石流啟動(dòng)臨界清水流量介于渣場三臺階和單臺階堆填方案之間。

在坡表徑流沖刷下，渣場雙臺階堆填方案的下部臺階平臺淤積有部分上游渣料，平臺堆積物的存在阻擋了一部分水流，在徑流強(qiáng)度足夠大時(shí)堆積物一側(cè)形成貫通的徑流通道后啟動(dòng)形成泥石流。泥石流啟動(dòng)瞬間，平臺堆積物阻擋的部分水流一起快速流出，同時(shí)攜帶大量堆積渣料流出，此種方案下的泥石流流量和容重最大；渣場單臺階堆填方案中，泥石流初始啟動(dòng)時(shí)為坡面泥石流，主要為渣場的淺表層松散物質(zhì)，泥石流啟動(dòng)容重最?。辉鼒鋈_階堆填方案的泥石流啟動(dòng)容重介于單臺階和雙臺階渣場堆填方案之間，泥石流流量與單臺階渣場堆填方案相差不大，無明顯規(guī)律（圖21）。

圖21 渣場不同堆放形式下泥石流啟動(dòng)特征參數(shù)

5 棄渣堆積體啟動(dòng)力學(xué)模型分析

在流域匯水不斷沖刷作用下，渣場一定深度范圍逐漸達(dá)到飽和狀態(tài)，當(dāng)徑流強(qiáng)度大于入滲強(qiáng)度后會(huì)產(chǎn)生地表徑流，地表徑流沖刷拖拽渣場坡表松散物質(zhì)并逐步向下鏟刮形成徑流通道，伴隨著徑流通道岸坡松散物質(zhì)垮塌，最終在達(dá)到臨界徑流強(qiáng)度時(shí)渣場物源啟動(dòng)形成泥石流。

參照水力類泥石流啟動(dòng)的高橋保模式（邵蓮芬，2014；Takahashi，1991），選取一定飽和深度范圍（H）的單位面積棄渣堆積體進(jìn)行土體骨架受力分析，其中地表徑流深度為h，并假設(shè)地面徑流對棄渣堆積體的沖刷拖拽力為均勻受力，具體受力示意圖見圖22所示。

圖22 徑流沖刷作用下棄渣堆積體受力示意圖

地表徑流在渣場坡面運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生了一定的沖刷拖拽力（F1），同時(shí)會(huì)受到坡面阻力（F3）作用，另外在棄渣堆積體內(nèi)部水體滲流作用下會(huì)產(chǎn)生滲流力（F2）。同時(shí)，棄渣堆積體還會(huì)產(chǎn)生豎直向下的浮重力（W），堆積體底部垂直向上的支持力（N）。

根據(jù)水力學(xué)理論（趙振興等，2010），地表徑流沖刷對棄渣堆積體表面的拖拽力F1為：

式中，F(xiàn)1為拖拽力（kPa）；ρm為沖刷徑流密度（g／cm3）；μ為摩阻流速（m／s），其與地表徑流的流速、流深以及棄渣堆積體坡表粗糙度密切相關(guān)。

地表徑流沖刷過程中，水體入滲產(chǎn)生的滲流力F2為：

式中，ρw為水體密度（g／cm3）；J為水力坡降。

另外，飽和堆積體的浮重力W為：

式中，ρs為棄渣堆積體密度（g／cm3）。

至此，棄渣堆積體的啟動(dòng)力τs根據(jù)受力狀態(tài)分析可得：

根據(jù)Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則，結(jié)合有效應(yīng)力原理，棄渣堆積體的抗啟動(dòng)力為：

式中，σ為總應(yīng)力（kPa）；uw為孔隙水壓力（kPa）；c'、φ'分別為棄渣堆積體在飽和狀態(tài)下的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角。

其中，總應(yīng)力σ為：

孔隙水壓力uw為（邵蓮芬，2014）：

式中，h為徑流深度（m）；ρsat為棄渣堆積體的飽和密度（g／cm3）。

至此，棄渣堆積體的抗啟動(dòng)力τf可表示為：

前述分析了在流域匯水徑流沖刷作用下，一定飽和深度范圍（H）棄渣堆積體的啟動(dòng)力和抗啟動(dòng)力，這里假設(shè)應(yīng)力呈直線分布，在渣場泥石流啟動(dòng)時(shí)，根據(jù)泥石流啟動(dòng)特征進(jìn)行分類討論（孔瑩，2018；康志成等，2004）。

圖23（a）顯示，在飽和深度H范圍內(nèi)，棄渣堆積體內(nèi)部應(yīng)力均滿足τs＞τf，飽和深度內(nèi)棄渣堆積體均可失穩(wěn)啟動(dòng)；圖23（b）顯示，棄渣堆積體僅上部H’深度范圍內(nèi)滿足τs＞τf，棄渣堆積體局部啟動(dòng)。

圖23 徑流沖刷作用下棄渣堆積體剪應(yīng)力分布圖

棄渣場泥石流啟動(dòng)的基本條件為τs＞τf，根據(jù)前述公式推導(dǎo)可知：

①當(dāng)H＝0時(shí)，可得到：

其中，棄渣堆積體啟動(dòng)的摩阻流速μ根據(jù)邵蓮芬（2014）的研究成果可知：

式中，vmax為徑流表面最大流速（m／s）；v為徑流平均流速（m／s）；a為流速間的相關(guān)系數(shù)，可取值0.6（康志成等，2004）。

②當(dāng)H≠0時(shí)，分別進(jìn)行dτs／dH與dτf／dH簡化，則可得到：

由于渣場堆放區(qū)溝道坡度較小，這里可考慮sinθ＝tanθ，則上式可表示為：

綜上，在同時(shí)滿足式14和式17的情況下，棄渣堆積體在飽和深度范圍將可以全部啟動(dòng)（圖23（a））；然而，本文棄渣場規(guī)劃堆放區(qū)的溝道坡度θ較小，不滿足式18條件，即達(dá)不到式17的要求，此時(shí)在僅滿足式14條件的情況下，棄渣堆積體將在上部H深度范圍內(nèi)啟動(dòng)（圖23（b）），棄渣堆積體啟動(dòng)與否取決于地表徑流的摩阻流速、沖刷徑流密度和渣場飽和內(nèi)聚力間的相關(guān)關(guān)系。

在上游匯水徑流沖刷條件下，渣場坡表松散物質(zhì)因水流沖刷拖拽力作用而搬運(yùn)流失，隨地表徑流流速逐漸增大，渣場坡面在水流沖刷拖拽力作用下，不斷向下鏟刮形成徑流通道并逐漸擴(kuò)展、貫通，同時(shí)渣場部分深度因水流入滲逐漸達(dá)到飽和，渣場抗啟動(dòng)力降低，最后在地表徑流達(dá)到臨界流速條件后啟動(dòng)形成泥石流。

6 結(jié)論

本文以弄家曲流域擬建棄渣場為研究對象，提出了多種渣場堆置方案，并基于物理模型實(shí)驗(yàn)開展了流域匯水徑流沖刷作用下渣場不同堆置方案的成災(zāi)模式研究，為擬建棄渣場規(guī)劃設(shè)計(jì)提供參考。主要結(jié)論如下：

（1）地表徑流作用下，前期主要以溯源侵蝕和下蝕為主，渣場坡表物質(zhì)大量流失；在水流不斷沖刷作用下，渣場坡表的徑流通道逐漸形成、擴(kuò)展、貫通，溝道徑流不斷側(cè)蝕兩側(cè)岸坡，在攜帶足量渣料的情況下啟動(dòng)形成溝道泥石流。

（2）渣場三臺階堆填方案泥石流啟動(dòng)主要為溝道徑流不斷側(cè)蝕沖刷岸坡，水流攜帶大量垮塌渣料和沿途侵蝕渣料啟動(dòng)形成泥石流，泥石流啟動(dòng)模式為侵蝕啟動(dòng)型；在渣場雙臺階堆填方案中，前期溯源侵蝕在渣場臺階平臺淤積了部分渣料，堆積物的存在阻擋了地表徑流，后期徑流通道貫通并攜帶大量渣料啟動(dòng)形成泥石流，泥石流啟動(dòng)模式為堵潰啟動(dòng)型；渣場單臺階堆填方案的坡表溯源侵蝕強(qiáng)烈，在渣料大量流失下啟動(dòng)形成坡面型泥石流，泥石流啟動(dòng)后水流侵蝕作用增強(qiáng)，徑流通道逐漸貫通形成溝道型泥石流，泥石流啟動(dòng)模式為混合啟動(dòng)型。

（3）渣場不同臺階堆填方案下，因?yàn)榫哂忻黠@差異的泥石流啟動(dòng)模式，在泥石流啟動(dòng)時(shí)的特征參數(shù)規(guī)律明顯。其中，渣場全程三臺階堆填方案在泥石流啟動(dòng)時(shí)，所需上游來流臨界流量最大、泥石流流量較小、泥石流規(guī)模最小，在3種不同臺階堆渣方案中具有明顯優(yōu)勢。三臺階、雙臺階和單臺階堆填棄渣場啟動(dòng)流量分別為41.4l／min、34.2l／min和32.1l／min，經(jīng)相似比換算真實(shí)啟動(dòng)流量為2 208 m3／s、1 824m3／s和1 712m3／s，泥石流啟動(dòng)流量極大，渣場很難整體啟動(dòng)，但局部會(huì)因匯水徑流沖刷發(fā)育沖溝，存在水土流失及岸坡物質(zhì)垮塌的風(fēng)險(xiǎn)。

（4）在徑流沖刷作用下，建立了棄渣堆積體的啟動(dòng)力學(xué)模型。徑流沖刷作用下，地表徑流對渣場坡表具有一定的拖拽力，同時(shí)水流入滲產(chǎn)生的滲流力也對棄渣堆積體啟動(dòng)具有影響。另外，渣料飽水后抗剪強(qiáng)度參數(shù)降低使得其抗啟動(dòng)力減小，在地表徑流達(dá)到一定流速時(shí)可使棄渣堆積體失穩(wěn)啟動(dòng)。